7.4. Диа- и парамагнетизм и их природа

В диамагнитных материалах, помещенных во внешнее магнитное поле B₀, возникает внутреннее поле, направленное навстречу намагничивающему полю.

Это связано с тем, что суммарный магнитный момент диамагнитного атома равен нулю. Когда диамагнитное вещество помещают во внешнее магнитное поле, то под действием этого поля возникает прецессия электронных орбит.

Поскольку электрон в атоме можно уподобить круговому току, характеризуемому магнитным моментом Р_m, во внешнем магнитном поле на магнитный момент этого кругового тока начинает действовать вращательный момент

под действием этого момента М вектор орбитального момента электрона Р_m начнет прецессировать вокруг направления вектора магнитной индукции B₀, то есть получит дополнительное равномерное вращение, при котором вектор Р_m будет описывать конус вокруг направления B₀ (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Прецессия орбитального магнитного момента Р_m электрона
вокруг вектора магнитной индукции B₀ внешнего поля

Таким образом, вектор Р_m, перпендикулярный к плоскости электронной орбиты, сохраняет неизменный угол a наклона к внешнему полю и вращается вокруг B₀ с некоторой угловой скоростью. Это движение сродни прецессии оси волчка в поле сил тяжести.

Частота этой прецессии

называемая ларморовой частотой, не зависит ни от угла наклона орбиты электрона к вектору B₀, ни от радиуса орбиты или скорости электрона и, следовательно, для всех электронов одинакова. Прецессия электронной орбиты создает дополнительное движение электрона во внешнем магнитном поле B₀. Это движение, как и любое движение зарядов, приводит к возникновению индуцированного магнитного момента, причем в данном случае направленного против поля (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Формирование индуцированного магнитного момента, направленного против внешнего магнитного поля

Следовательно,

В диамагнитных веществах во внешнем магнитном поле B₀ возникает направленное противоположно B₀ индуцированное магнитное поле В', которое ослабляет внешнее поле

то есть для диамагнетиков

Молекулы парамагнитного вещества имеют собственное магнитное поле, обусловленное тем, что у парамагнетиков векторная сумма орбитальных и спиновых моментов электронов не равна нулю. В отсутствие внешнего магнитного поля эти магнитные микрополя молекул тепловым движением ориентированы в пространстве хаотически, и поэтому суммарное магнитное макрополе парамагнетика равно нулю. При помещении парамагнитного вещества во внешнее магнитное поле B₀ магнитные моменты атомов приобретают преимущественную ориентацию вдоль поля B₀, которая тем больше, чем больше B₀, причем эффект с увеличением температуры уменьшается. В результате суммарное собственное магнитное поле парамагнетика В становится отличным от нуля и направлено вдоль внешнего поля B₀.

Видео 7.2. «Механизм» намагничивания парамагнетиков.

Следовательно,

Парамагнетик, помещенный во внешнее магнитное поле, усиливает это поле

то есть для парамагнетиков

Следует отметить, что диамагнитный эффект имеет место для всех веществ без исключения, в том числе и для парамагнетика, однако величина диамагнитного эффекта существенно меньше парамагнитного, и в этом случае его можно не учитывать.

Если диамагнитный эффект не зависит от температуры вещества, то парамагнитный зависит, поскольку тепловое движение атомов и молекул нарушает преимущественную ориентацию по полю их магнитных моментов во внешнем магнитном поле (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Зависимость намагниченности парамагнетика от обратной температуры

Зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры была установлена Кюри и выражается формулой

(7.24)

где С — постоянная Кюри, зависящая от вещества, Т — его абсолютная температура. Происхождение этой температурной зависимости такое же, как и для ориентационной поляризуемости диэлектрика (см. (3.21)). При очень низких температурах и очень высоких магнитных полях наблюдаются отступления от закона Кюри, обусловленные квантовыми эффектами.

Диамагнетики выталкиваются из магнитного поля, в то время как парамагнетики втягиваются в магнитное поле. Поэтому тонкие стержни из пара- и диамагнетиков, подвешенные на нитях и помещенные между полюсами магнита, ведут себя по-разному. Магнитное поле разворачивает диамагнитный стержень таким образом, что он поворачивается перпендикулярно силовым линиям, а парамагнитный стержень — встает параллельно силовым линиям (см. рис. 7.7).

Рис. 7.7. Поведение пара- и диамагнетиков во внешнем магнитном поле:
1 — парамагнитный стержень; 2 — диамагнитный стержень

На рис. 7.8 показан опыт, в котором палочка из висмута, являющегося диамагнетиком, подвешивается в поле сильного электромагнита. При включении поля палочка разворачивается и устанавливается параллельно поверхности полюсов магнита, то есть перпендикулярно полю.

Рис. 7.8. Диамагнетики в магнитном поле

На рис. 7.9. представлен опыт, в котором демонстрируется ориентация длинного металлического парамагнитного образца и длинной ампулы с раствором парамагнитной соли вдоль магнитного поля, создаваемого магнитом.

Рис 7.9. Парамагнетики в магнитном поле

Дополнительная информация

http://moscowaleks.narod.ru/pretses.html — прецессия;

http://hea.iki.rssi.ru/~nik/astro/prec.htm — прецессия, наблюдаемые проявления прецессии;

http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/gyro_txt.htm — прецессия гироскопа;

http://iomn.net/?p=48 — Пьер Кюри (1859–1906);

http://ufn.ru/ufn56/ufn56_4/Russian/r564a.pdf — статья А.Ф. Иоффе «Пьер Кюри»;

http://vpnews.ru/referat7858.htm — магнитные материалы для микроэлектроники, закон Кюри, температура Кюри.

5/6